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人工颈椎间盘置换术对邻近节段生物力学影响的三维有限元分析
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【中医学免费论文下载】作者：李志远，申勇 张英泽，王林峰，刘艳兵，武刚，张宇宸，任虎【摘要】 [目的]建立人工颈椎间盘置换术前、术后(C4～7)的三维有限元模型，分析颈椎间盘置换术的特点，并探讨术后对邻近节段生物力学的影响。[方法]选取1名行人工颈椎间盘置换的男性病人的术前、术后CT片，范围为C4～7,(包括椎体、邻近椎体和邻近椎间盘)分别建立术前、术后的三维脊柱功能单元的有限元模型。对模型加载2 N·m的力矩和10 N·m的转矩，分析其在垂直载荷、前屈、后伸、侧屈及旋转的情况下，手术前后的椎体的变化以及椎体皮质骨、松质骨、椎间盘、终板的应力改变，以及活动度的变化。[结果]手术后轴向负荷力线后移,人工间盘邻近椎体上下终板所受应力，以及邻近椎间盘所受应力有所增加，但所受压力、张力不明显。节段活动度的变化减小不明显。[结论]人工颈椎间盘置换术有效的改善了脊柱功能单位的生物力学性能，但需谨慎选择人工椎间盘的大小，并且最大限度保留终板骨性组织，以避免出现术后假体下沉、移位、脱出、节段后凸等不良影响。
【关键词】 人工假体; 颈椎间盘; 生物力学; 有限元分析
Abstract: [Objective]To present a validated two-functional spinal unit C4～7 finite element model with simulated placement of a disc prosthesis treatment to predict stresses and strains within adjacent vertebal bodies. [Methods]Two finite element models of C4～7 were generated using the CT scans taken from a male patient following placement of a disc prosthesis treatment, which were included with adjacent bodies, intervertebral discs. Simulations were conducted imposing a compression preload combined to a flexion/extension moment, a pure lateral bending moment and a pure torsion moment, and to quantify the stress levels in intervertebral discs, endplate, cancellous bone, cortical bone and adjacent bodies following placement of a disc prosthesis under clinically relevant loading conditions.[Results]The BryanTM disc prosthesis allows to correctly reproduce a physiological motion at the implanted level, and the changes in stresses and strains in levels adjacent to a placement of a disc prosthesis treatment level were minimal.[Conclusion]The artificial cervical disc prosthesis well restores the biomechanical behavior of the intact spine. Moreover, the selection of surgical indications and proper manipulations shoule bve paid more attehtion to.
Key words：cervical disc replacement; biomechanical; finite element analysis
随着颈椎的发病率逐年增加，前路减压植骨融合技术广泛应用于颈椎病患者的手术治疗。然而，临床研究显示融合会导致颈椎活动度的减少，加速临近节段的退行性病变。为解决异常应力作用于融合后邻近节段的问题，避免前路减压植骨融合术的诸多并发症，作为“非融合固定技术”的代表—颈椎间盘置换手术在临床上得到广泛应用。然而关于人工颈椎间盘置换术对邻近节段影响的报道较少，因此，作者建立颈椎间盘置换手术术前、术后两个脊柱功能单元的三维有限元模型。为了能充分反映出人体的生物学特性，区别于以往基于尸体建模的模式，采用基于患者的实体建模，加强对椎间盘、皮质骨、松质骨、韧带及颈后纵韧带等后部结构的模拟，使其更接近于真实结构[1]，观察模型在正常范围内的垂直压缩、前屈后伸、侧弯情况下，手术前后活动度，以及邻近椎体、邻近椎间盘和后部结构的生物力学变化，研究其对邻近节段的生物力学影响。
1 资料与方法
1.1 CT扫描
选取1名行“颈椎人工间盘置入术”后6个月的志愿者，男性，48岁，身高170 cm,体重75 kg，未发现骨性异常与脊柱畸形，采用CT自上而下行螺旋扫描，扫描范围包括C4～7全部骨性结构、韧带、椎间盘及人工椎间盘假体。
1.2 建模方法
运用Photoshop语言数字图像处理程序对C4～7骨性结构和椎间盘区域进行边缘检测，提取边界坐标,并整理成点云文件。将点云文件输入逆向工程软件Geomagic，生成NURBS曲面后,将其实体模型通过IGES文件导入到有限元分析软件Ansys 9.0中去，对椎体皮质骨、松质骨、椎间盘用三维十节点四面体结构实体单元进行网格划分，上下终板和纤维环被简化成一体，中间髓核部分被区分出来。
根据CT值选取钛合金盖板轮廓，同骨组织类似在逆向工程思路下构建实体模型。高分子结构髓核部分在CT图像中显示并不清晰，在操作中按CT图像中钛合金位置确定髓核轴线位置，并根据人工椎间盘结构确定半径尺寸，然后建立在轴向方向略大于真实尺寸的初始髓核实体模型。通过布尔操作，用上下2个钛合金盖板实体模型减去初始髓核实体模型中多余的部分，即得到完整的人工椎间盘实体模型。在这个模型中，包括盖板、钛铢和前部凸缘在内的金属结构被统一建立为上下两个钛结构模型，在计算应用中这些简化对力学响应基本不构成影响。壳和髓核之间采用无摩擦的接触分析，这与Rousseau等[1]的假设不同，但更接近真实情况。
韧带结构使用仅受拉的二节点杆单元模拟，包括前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、关节囊韧带、棘上韧带和棘间韧带。所有结构材料参数、韧带截面积都按文献报道选取，数值及单元划分情况如表1所示。
1.3 计算与分析
对模型C7下表面全自由度约束，在C4椎体上表面分别加载均为2 N·m前屈、后伸、侧弯和轴向旋转的弯矩。主要计算分析在各种状态下脊柱功能单元(functional spinal unit, FSU)生物力学变化。
对于一个FSU,下椎体是相对于其自身的下一椎体旋转或绕自身的旋转轴旋转的，在分析之初，必须把该旋转连带造成的上一椎体的运动量减去。在下一椎体相对固定的条件下，在上一相对活动的椎体上表面选择两个节点，加载前后节点的三维坐标可以方便取得。对任意节点加载前后坐标的连线可以在三维空间内做其垂直平分面。由于有限元分析中椎体的弹性模量远大于其他组织的弹性模量，椎体的应变相对较小，所以可以近似认为任意两个节点所得到的HAM都是一致的。但不恰当地选择两个节点也可能造成较大的计算误差，这在其他文献中都没有提到。本文选择6对节点，将计算得到的HAM参数均值作为结果，减小了计算误差。模型结果包括:所完成的C4～7有限元模型共计包含6 729个shell单元，42 112个Solid 单元79个缆绳单元。
2 结果
2.1 有限元模型结果表1 模型构建及各材料系数组织单元类型单元数弹性模量术后脊柱功能单元模型如图1、图2。
2.2 模型分析计算结果如表2，图3所示。
2.3 结果
图1颈椎术后模型(C4～7)侧位
图2颈椎术后模型(C4～7)正位 (1)在垂直荷载压力下，C5下终板和C6上终板表面应力与术前相比，应力分布有所变化，局部应力增加，但低于相关实验研究所报道的终板受损变形的最低值。
(2)与术前相比，C5、6椎间盘和C6、7椎间盘所受应力变化不大，但应力分布比术前集中。
(3)Bryan 植入后该节段的活动度较术前略有减少，但在正常范围之内。
(4)本实验研究结果与王岩等[2]的临床研究结果相近，并且运动趋势与Goffin[3]相同。
表2 垂直载荷下，术前和术后各组织von Mises应力比较(MPa)C5下终板C5椎体C6上终板C4、5椎间盘C6、7椎间盘人工间盘术前5.3711.43.914.222.97-术后6.1712.97.174.773.105.85 图3模型脊柱功能单元在不同状态下的生物力学情况(MPa)
图3a前屈 图3b后伸 图3c侧弯 图3d轴向旋转
3 讨论
近年来,诸多临床研究报道[4]，相比颈前路融合术后而言，人工颈椎间盘置换术有着保留颈椎运动功能，术后对邻近节段影响较小等优势。而本实验的研究结果也再次印证颈椎间盘置换术后，颈椎运动趋势近似于术前，并且节段活动度也接近正常。这一结果与Galbusera 等[4]学者的研究一致。因此，再次说明了人工颈椎间盘置换术在恢复颈椎稳定性的同时，也较好地保留了颈椎的运动功能，这一点得到了Duggal N等[5]影像学分析结果的支持，并且与Ha SK[6]所报道的生物力学理论吻合。
然而，值得关注的是人工颈椎间盘置换术后也存在异位骨化、假体下沉、脱出、节段后凸等诸多问题。Goffin等[3]曾报道1例假体移位患者，该患者假体脱出椎体前缘2 mm。Bryan[7]先后进行了12个月的随访结果显示：患者术后12个月治疗效果分别是优70%，良4 %，可13%，差13%。Pickett等[8]也报道了14例患者在行Bryan假体置换术后后凸形成，并且发现全部14名患者程度不同的出现术后置换节段后凸加重。
本研究结果中表明人工间盘置换术后，假体上下终板所受应力有所增加，虽然应力小于终板受损形变的最小值，但应力分布有明显改变并且集中。考虑到Byran假体的设计本身存在3种非独立缺陷,再者术中可能存在的上下终板打磨不对称或者终板骨质切除过多的情况，都极有可能使上下终板面局部应力增加，进而终板形变，最终导致邻近节段后凸。因此，建议术中在对上下终板软组织刮除干净的同时，应尽可能的保留终板骨质，以避免由于终板骨质的切除而使终板强度显著降低。术前也要选择合适的假体，使假体与邻近椎体终板有足够的接触以使负荷分散。这样可以尽量避免术后相邻节段后凸、假体下沉脱出等问题。
总之，人工颈椎间盘置换术较颈前路减压植骨融合术更有效的改善了脊柱功能单位的生物力学性能，只要谨慎选择人工椎间盘的大小，重视手术适应证的选择及严格手术操作规范，可尽量避免术后异位骨化、假体下沉、脱出、节段后凸等问题。然而有限元分析方法作为一种模拟实验，还不能完全反映骨外形和材料特性的多变性，而且由于脊柱的结构和材料特性非常复杂，所以本模型局限性决定其还不能完全反映骨外形和材料特性的所有特性，所得出的结论只能作为一种参考。颈人工椎间盘置换术作为一种治疗颈椎病新的术式已取得了较好的近期疗效。随着这项技术更广泛的开展，远期临床随访的观察和研究会进一步将其完善。
【参考文献】
[1] Rousseau MA,Bradford DS,Bertagnoli R,et al.Disc arthroplasty design influences intervertebral kinematics and facet forces[J]. Spine J，2006，3:258-266.
[2] 王岩，肖嵩华，陆宁，等.单双节段Bryan颈椎间盘假体置换术后1～8个月临床资料分析[J].中国矫形外科杂志，2005,1:14-17.
[3] Goffin J, Van Calenbergh F, van Loon J,et al.Intermediate follow-up after treatment of degenerative disc disease with the Bryan Cervical Disc Prosthesis: single-level and bi-level[J]. Spine，2003,24:2673-2678.
[4] Galbusera F, Fantigrossi A, Raimondi MT,et al. Biomechanics of the C5～C6 spinal unit before and after placement of a disc prosthesis[J]. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology，2006，4:253-261.
[5] Duggal N, Pickett GE, Mitsis DK,et al.Early clinical and biomechanical results following cervical arthroplasty[J]. Neurosurg Focus，2004, 3:9.
[6] Ha SK. Finite element modeling of multi-level cervical spinal segments (C3～6) and biomechanical analysis of an elastomer-type prosthetic disc[J]. Medical Engineering & Physics，2006,28:534-541.
[7] Bryan VE. Cervical motion segment replacement[J]. Eur Spine J,2002,12:92-97.
[8] Pickett GE, Mitsis DK, Sekhon LH,et al.Effects of a cervical disc prosthesis on segmental and cervical spine alignment[J]. Neurosurg Focus，2004，3:30-35.
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